王小東,陳明飛,王子文,王 燕,王 碩,2,3,李 激,2,3

(1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122； 2.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué)),江蘇 無錫 214122； 3.江蘇省高校水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 蘇州 215009)

近年來，不斷遭到外界干預(yù)的氮循環(huán)已對(duì)人類生產(chǎn)生活造成惡劣的影響[1]，致使生態(tài)失衡、水環(huán)境破壞等，大規(guī)模藍(lán)藻爆發(fā)的太湖水危機(jī)事件便是典型后果[2-3].目前，以活性污泥工藝為主體的污水處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無機(jī)氮(iorganic nitrogen，IN)的穩(wěn)定且高效去除[4]，然而，大部分DON仍殘存于污水中.Liu等[5]研究表明排入某些敏感水域自然水體的污水，含氮污染物90%以上為DON，Brand?o等[6]研究指出當(dāng)污水處理廠出水總氮實(shí)現(xiàn)超低水平(<3 mg/L)，DON便成為主要污染組分(>2.8 mg/L).隨著中國工業(yè)化的迅猛發(fā)展，含氮有機(jī)污染物被大量排入市政污水管網(wǎng)，有機(jī)氮的去除效率成為制約污水處理廠出水總氮水平進(jìn)一步提高的瓶頸點(diǎn).

目前，污水中溶解性有機(jī)氮的分布和轉(zhuǎn)化特性研究是其關(guān)注熱點(diǎn)，亦是提高其去除效率的關(guān)鍵.DON為包含各種含氮官能團(tuán)的化合物, 主要有NH類、氨基類、腈類、嘌呤、嘧啶和硝基化合物等，通常指通過0.45 μm無機(jī)濾膜的含氮有機(jī)化合物，常采用分子質(zhì)量、來源和含氮有機(jī)物極性等劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行描述[7].基于此，Pehlivanoglumantas等[8]量化了污水中部分有機(jī)氮物質(zhì)如溶解性結(jié)合氨基酸(dissolved combined amino acids，DCAA)和溶解性游離氨基酸(dissolved freed amino acids，DFAA)等；Keller等[9]的研究發(fā)現(xiàn)污水處理廠出水中58%～66%的DON分子質(zhì)量低于1 800 u，相對(duì)低分子質(zhì)量的物質(zhì)在出水DON中占比較大；Qin等[10]的研究指出污水處理廠出水中64.0%～72.2%的DON為親水性化合物，該特性或是其難以實(shí)現(xiàn)極限去除的原因所在；三維熒光光譜技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到環(huán)境水體中溶解性有機(jī)物的識(shí)別和解析[11]，Chen等[12]提出的熒光區(qū)域積分方法可以相對(duì)定量地解析熒光光譜，因此，應(yīng)用此技術(shù)來解析污水中具有熒光特性有機(jī)氮物質(zhì)是較為可行的.污水生物處理過程中DON的分布和轉(zhuǎn)化規(guī)律研究相對(duì)較少，其在污水處理過程中的行為表征也鮮有研究.因此，可依托特定含氮化合物、分子質(zhì)量分布、親疏水性分級(jí)及三維熒光光譜結(jié)合熒光區(qū)域積分等研究方法初步探究太湖流域典型城鎮(zhèn)污水處理廠中溶解性有機(jī)氮的分布及轉(zhuǎn)化規(guī)律，從而對(duì)其性質(zhì)有較為深入的了解，便于后續(xù)強(qiáng)化去除技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用.

為此，基于長期水質(zhì)監(jiān)測(cè)，獲取典型城鎮(zhèn)污水處理廠二級(jí)出水氮組分和DON季節(jié)性特征，并于4個(gè)不同月份取得WX-A工藝沿程水樣完成DON的相關(guān)表征，并將熒光區(qū)域積分方法成功應(yīng)用于含氮物質(zhì)熒光光譜的解析，闡明其在污水處理過程中的遷移和轉(zhuǎn)化狀態(tài)，研究結(jié)果對(duì)探討污水處理過程中總氮的強(qiáng)化去除具有指導(dǎo)意義，以期為污水處理廠實(shí)現(xiàn)總氮超低排放奠定基礎(chǔ).

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 污水處理廠基本信息及樣品采集

選取位于無錫市的4座典型城鎮(zhèn)污水處理廠為對(duì)象，依次編號(hào)為WX-A、WX-B、WX-C和WX-D，完成連續(xù)9個(gè)月的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，污水處理廠基本信息如表1所示.出水標(biāo)準(zhǔn)為《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB32/1072—2018).

表1 污水處理廠基本信息

為研究出水DON的季節(jié)性波動(dòng)，采樣周期設(shè)置為2017年12月—2018年8月，取樣頻率為2～3次/月.并分別于2017年12月、2018年3月、2018年6月和2018年8月從WX-A工藝沿程(進(jìn)水、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)、MBBR、出水)中采集樣品.所有水樣取3份平行樣品，經(jīng)0.45 μm玻璃纖維膜過濾后保存在聚乙烯容器內(nèi)，并存儲(chǔ)于4 ℃，待測(cè).

1.2 水質(zhì)分析

DON(mg/L)的測(cè)定方法為STN差減溶解性無機(jī)氮(dissolved inorganic nitrogen，DIN)[13]，即

(1)

1.3 DFAA及DCAA測(cè)定

采用Agilent1260高效液相色譜儀測(cè)定未水解樣品中的DFAA以及水解后溶解性總氨基酸(dissolved total amino acids，DTAA).DFAA預(yù)處理過程為用等體積10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的三氯乙酸稀釋，記錄稀釋倍數(shù)，過膜離心，取上清液于液相樣品瓶.DTAA預(yù)處理過程為在水解管中量取1 mL水樣樣品，加入1 mL濃鹽酸，再加入6 mL 6 mol/L HCl，保證總體積為8 mL，HCl濃度為6 mol/L，充N2、封管，離心并裝入液相樣品瓶[14].DCAA值取自DTAA和DFAA差值.

1.4 分子質(zhì)量分級(jí)

0.3～0.45 MPa的氮?dú)鈮毫ο拢?00 mL水樣通過具有不同分子質(zhì)量截留值(30 ku，10 ku，5 ku，3 ku和1 ku)的超濾膜進(jìn)行逐層加壓過濾.使用Lee和Westerhoff提出的方法計(jì)算各分子質(zhì)量范圍內(nèi)DON的占比[15].

1.5 親疏水性分級(jí)

首先用6 mol/L鹽酸溶液將水樣pH調(diào)至2.然后將水樣依次泵入串聯(lián)的XAD-8和陰離子交換樹脂柱，控制流速為1 mL/min，陰離子交換樹脂的作用為吸附無機(jī)氮組分，其流出溶液為親水性DON，然后將串聯(lián)的XAD-8和陰離子交換樹脂柱分離開，采用0.1 mol/L的NaOH溶液對(duì)XAD-8樹脂柱進(jìn)行反沖，控制流速為0.5 mL/min，反沖溶液為疏水性DON[16].親疏水性組分的總體回收率為95.3%～114.1%.

1.6 熒光光譜及其解析

待測(cè)樣品首先需要進(jìn)行預(yù)處理，用超純水將總有機(jī)碳稀釋至10 mg/L以下.采用的儀器為三維熒光光譜儀(Hitachi F-7000，日本)，設(shè)置激發(fā)波長(Ex，λEx)范圍為200～400 nm，發(fā)射波長(Em，λEm)范圍為280～500 nm，Ex和Em的間隔均為10 nm，儀器掃描速度設(shè)定為12 000 nm/min[17].

采用熒光區(qū)域積分(fluorescence regional integration，F(xiàn)RI)方法解析光譜.劃分光譜圖為5大基本區(qū)域(表2)[12].代表有機(jī)氮化合物的各個(gè)及總體區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算公式如下[18]：

Φi,n=FMiΦi=FMi∑∑I(λExλEm)ΔλExΔλEm,
ΦT,n=∑Φi,n.

(2)

式中：ΔλEx為激發(fā)波長間隔(10 nm)，ΔλEm為發(fā)射波長間隔(10 nm)，I(λExλEm)為各個(gè)激發(fā)發(fā)射波長區(qū)域的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)Mi為倍增因子，相當(dāng)于各熒光區(qū)域面積與總熒光區(qū)域面積比值的倒數(shù).

熒光響應(yīng)百分比(Pi,n,%)按照下式計(jì)算：

Pi,n=Φi,n/ΦT,n×100%. (3)

表2 熒光區(qū)域的λEx/λEm

2 結(jié)果與討論

2.1 4座污水處理廠的DON污染特征

表3 二級(jí)出水氮組分 mg·L-1

圖1 DON季節(jié)變化特性

2.2 WX-A污水處理廠AAO-MBBR工藝沿程DON變化

工藝沿程中DON的質(zhì)量濃度變化如圖2所示.進(jìn)出水DON平均質(zhì)量濃度分別為9.1，3.5 mg/L，WX-A現(xiàn)有工藝能夠去除進(jìn)水中60%的DON，且經(jīng)回流比核算可知DON最明顯的去除過程均發(fā)生在厭氧池，后續(xù)處理單元中DON的質(zhì)量濃度幾乎不變.Pehlivanoglu等[23]研究指出賦存于二級(jí)出水中的DON，約10%源于進(jìn)水中的不可氨化有機(jī)氮，其余90%則是微生物代謝副產(chǎn)物，例如氨基酸與核酸等[24].探究二級(jí)出水中的DON是源于污水本身還是微生物代謝活動(dòng)，以便確定工藝運(yùn)行參數(shù)或采取強(qiáng)化去除措施，進(jìn)而降低其出水質(zhì)量濃度水平.

圖2 工藝沿程DON質(zhì)量濃度變化

Fig.2 Variation of DON concentration along the wastewater treatment process

2.3 WX-A污水處理廠AAO-MBBR工藝沿程氨基酸變化

DCAA和DFAA是污水中較為典型的溶解性有機(jī)氮[25].如圖3所示，經(jīng)過生物處理，進(jìn)水中DCAA及DFAA濃度分別削減了40%和66%.DCAA在進(jìn)水和二級(jí)出水中物質(zhì)的量范圍分別為17.2～20.1和8.01～13.7 μmol，其在進(jìn)水和二級(jí)出水DON中的占比依次為2.75%～2.99%和4.25%～5.69%，DFAA在進(jìn)水和二級(jí)出水中的物質(zhì)的量范圍分別為5.75～5.92和0.9～4.2 μmol，其在進(jìn)水和二級(jí)出水DON中的占比依次為0.78%～1.01%和0.39%～1.07%，WX-A工藝沿程中DCAA的濃度明顯高于DFAA，這與Confer的研究結(jié)果一致[26-27].污水中氨基酸的含量分布規(guī)律與季節(jié)的關(guān)聯(lián)性較小，并且其含量水平可能與微生物代謝活性、進(jìn)水氨基酸水平等相關(guān)[28].游離態(tài)的氨基酸屬于絕大部分小分子有機(jī)氮化合物, 因其具有較好親水性而不易去除[29].微生物能夠通過代謝增殖過程將易降解的氨基酸合成自身蛋白質(zhì)，因此，推測(cè)出水中賦存的氨基酸是微生物代謝產(chǎn)物[30].工藝沿程中DFAA組分的變化如圖4所示，共檢測(cè)到17種氨基酸，這與黃滿紅等[31]研究的污水中氨基酸組分相似，進(jìn)出水DFAA總質(zhì)量濃度范圍分別為10.08～10.2，5.94～3.21 mg/L，且均以異亮氨酸、天冬氨酸和谷氨酸為主，推測(cè)該3種氨基酸在微生物代謝活動(dòng)中發(fā)揮重要作用.氨基酸組分及濃度波動(dòng)性較大，可能與微生物代謝活動(dòng)的活躍程度有關(guān).

2.4 WX-A污水處理廠AAO-MBBR工藝沿程分子質(zhì)量分布

工藝沿程中DON的分子質(zhì)量分布如圖5所示.進(jìn)水、厭氧池、缺氧池、好氧池、MBBR和出水中<3 ku的DON組分平均占比分別高達(dá)59%、57%、71%、69%、67%和82%，表明WX-A工藝沿程中的大部分DON分子質(zhì)量低于3 ku，而在MBBR工藝段中，高于30 ku的DON被微生物降解為低于3 ku的化合物.

Pagilla等[32]研究發(fā)現(xiàn)低分子質(zhì)量(<3 ku)DON以尿素、氨基酸、DNA、多肽以及多種合成化合物等組分為主，高分子質(zhì)量(>3 ku)DON則以富里酸和腐殖酸等組分為主，且活性污泥工藝能夠有效去除低分子質(zhì)量DON，而無法實(shí)現(xiàn)高分子質(zhì)量DON的徹底去除[33].低分子質(zhì)量DON(<3 ku)在出水中占比較大，無法被活性污泥工藝高效去除，其原因可能是污水處理過程中衍生出來的低分子微生物代謝產(chǎn)物等賦存在污水中，難以被進(jìn)一步降解去除[8]，而高分子質(zhì)量DON(>3 ku)可以進(jìn)一步被微生物降解利用，其在出水DON平均占比低于20%.

圖3 工藝沿程氨基酸變化

圖4 工藝沿程DFAA組分變化

圖5 工藝沿程DON分子質(zhì)量分布

2.5 WX-A污水處理廠AAO-MBBR工藝出水親疏水性分布

DON的親疏水性分布如圖6所示.親水性DON為主要組分，平均占比為79.2%，這與Liu等[5]的研究結(jié)果保持一致，推測(cè)是由于疏水性DON更易被微生物所吸收和利用，而親水性DON與活性污泥絮體表面的親和力較小而利用度較差[34].污水處理廠出水DON以親水性為主的特性，使得常規(guī)污水處理工藝難以實(shí)現(xiàn)其高效去除.此外，研究發(fā)現(xiàn)親疏水性DON的碳氮比分別為5.7±2.3和15.7±4.5，親水性DON相對(duì)較低的碳氮比也說明其不易被微生物利用，推測(cè)該部分含有不可氨化蛋白質(zhì)等難生物降解的物質(zhì)[35].

2.6 WX-A污水處理廠AAO-MBBR工藝沿程熒光光譜特征及解析

利用三維熒光光譜結(jié)合熒光區(qū)域積分的方法，研究污水中DON的降解和轉(zhuǎn)化特性[36].圖7為2018年8月期間工藝沿程中溶解性有機(jī)氮的三維熒光譜圖.進(jìn)出水中具有熒光特性的溶解性有機(jī)氮種類較多、熒光強(qiáng)度較高；且進(jìn)入生物單元后，區(qū)域Ⅱ(酪氨酸類蛋白質(zhì))和區(qū)域Ⅳ(溶解性微生物代謝產(chǎn)物)等主要有機(jī)氮組分的熒光強(qiáng)度都出現(xiàn)明顯降低，與前述厭氧池中有機(jī)氮含量顯著降低相互印證.缺氧池和好氧池中各區(qū)域的熒光強(qiáng)度均較低，推測(cè)是具有熒光特性的有機(jī)氮被微生物同化為自身蛋白質(zhì)[37]；MBBR池的熒光強(qiáng)度有所增強(qiáng)，可能是由于MBBR池較長的污泥停留時(shí)間(sludge retention time，SRT)導(dǎo)致部分活性污泥解體，釋放出大量的微生物代謝產(chǎn)物[38].

圖6 出水DON親水性和疏水性組分

熒光響應(yīng)百分比(Pi,n,%)分布如圖8所示.進(jìn)出水中區(qū)域Ⅰ(色氨酸類蛋白質(zhì))、區(qū)域Ⅱ(酪氨酸類蛋白質(zhì))、區(qū)域Ⅲ(富里酸類有機(jī)物)、區(qū)域Ⅳ(溶解性微生物代謝產(chǎn)物)、區(qū)域Ⅴ(腐殖酸類有機(jī)物)的熒光響應(yīng)百分比(Pi,n)依次為6.2%，31.2%，11.1%，45.3%，6.2%和2.1%，22.2%，17.2%，45.2%，13.3%，表明進(jìn)水的溶解性有機(jī)氮以酪氨酸類蛋白質(zhì)和溶解性微生物代謝產(chǎn)物為主要組分，總占比達(dá)76.5%，出水中主要的有機(jī)氮組分為微生物代謝產(chǎn)物，其他熒光區(qū)域占比較均勻，表明大分子蛋白質(zhì)在生物處理過程中被逐步降解為小分子化合物(氨基酸等)[39].進(jìn)出水中區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅳ的熒光區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)體積的去除率分別為77.0%和23.7%，進(jìn)一步表明活性污泥工藝無法實(shí)現(xiàn)低分子有機(jī)氮的高效去除，與前述低分子質(zhì)量DON在出水中占比較大，無法被活性污泥工藝高效去除相互印證.

圖8 工藝沿程熒光響應(yīng)百分比

Fig.8 Distribution of fluorescence response percentage along the wastewater treatment process

3 結(jié) 論

1)太湖流域城鎮(zhèn)污水處理廠出水DON與STN比為21.88%～26.15%，DON平均質(zhì)量濃度為2.7～3.4 mg/L，DON季節(jié)性變化規(guī)律為冬季質(zhì)量濃度高于夏季；WX-A工藝沿程中DCAA的質(zhì)量濃度明顯高于DFAA，進(jìn)出水DFAA總質(zhì)量濃度分別為10.08～10.2,5.94～3.21 mg/L，且均以異亮氨酸、天冬氨酸和谷氨酸為主.

2)WX-A工藝沿程中的大部分DON分子質(zhì)量低于3 ku，而在MBBR工藝段中，高于30 ku的DON被微生物降解為低于3 ku的化合物；親水性DON為主要組分，平均占比為79.2%.

3)進(jìn)出水中區(qū)域Ⅰ(色氨酸類蛋白質(zhì))、區(qū)域Ⅱ(酪氨酸類蛋白質(zhì))、區(qū)域Ⅲ(富里酸類有機(jī)物)、區(qū)域Ⅳ(溶解性微生物代謝產(chǎn)物)、區(qū)域Ⅴ(腐殖酸類有機(jī)物)的熒光響應(yīng)百分比依次為6.2%，31.2%，11.1%，45.3%，6.2%和2.1%，22.2%，17.2%，45.2%，13.3%，進(jìn)水的DON以酪氨酸類蛋白質(zhì)和溶解性微生物代謝產(chǎn)物為主要組分，總占比達(dá)76.5%，出水的主要組分為微生物代謝產(chǎn)物，其他熒光區(qū)域占比較均勻，熒光光譜結(jié)合區(qū)域積分分析證明活性污泥工藝無法實(shí)現(xiàn)低分子有機(jī)氮的高效去除.